轮式机器人控制技术研究

西北工业大学明德学院毕业设计论文本科毕业设计论文题 目 轮式机器人控制技术研究 专业名称 自动化 学生姓名 张俊 指导教师 邢超 毕业时间 2014.06 设计论文 毕业 任务书一、题目轮式机器人控制技术研究二、指导思想和目的要求1、 利用已有的专业知识，培养学生解决实际工程问题的能力；2、 锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力；三、主要技术指标1. 研究轮式机器人控制算法；2. 完成演示程序 四、进度和要求第01周-第02周：英文翻译；第03周-第04周：学习轮式机器人动力学与控制理论；第05周-第10周：研究轮式机器人算法；第11周-第16周：设计演示程序；第17周-第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩；五、主要参考书及参考资料1 Mobile Robotics: Mathematics, Models, and Methods Hardcover Alonzo Kelly , Cambridge University Press , 20132 Arduino RoboticsJohn-David Warren, Josh Adams, Harald Molle, Apress; 1 edition , 20113 Intermediate Robot Building (Technology in Action)David Cook, Apress; 2 edition 2011.学生 张俊 指导教师 邢超 系主任 _摘 要移动机器人在军事和国民经济领域有着广泛的应用前景。移动机器人运动控制技术作为机器人学的一个重要分支，是一项具有多年历史而且具有广泛应用前景的技术。在查阅大量资料的基础上，分析了移动机器人运动控制技术特点及发展现状，研究并设计了两轮驱动的机器人运动控制系统。移动机器人的位置和姿态识别是移动机器人运动控制系统中的一个最基本的问题。本文根据两轮差速驱动机器人的运动学方程，采用了一种简洁实用的航位推算公式。这种方法可以在性能较高的微处理器中采用，进行实时推算，具有一定的效率优势。移动机器人运动控制结构决定了它的运动能力。本文采用主从式控制结构，即由主机完成复杂运算并将处理后的数据传递给从机，由从机完成小车本体的控制，从机通过数控插补技术来实现机器人小车两驱动轮的联动；由运动函数构成的运动控制源程序在PC机编写，经编译生成相应的目标代码并通过串口发送到从机，从机的功能一是接收来自主机的数据和命令，二是根据主机发送的数据执行插补运算并驱动电机。从机是以STC89LE52为核心的运动控制器，利用STC89LE52芯片的控制功能，实现了移动机器人两驱动电机的控制。由从机构成的运动控制器，成本低，功能强，使用方便，而具有十分广阔的应用前景。关键词：运动控制，航迹推算，插补，步进电机，单片机AbstractAs an important branch subject of robotics，the motion controller technology ofmobile robot has a long history and will be widely used in the future，Based On refer ringto a great deal of the information and the research of the technology and development of mobile robot available，a two-wheel differential driving mobile robot was designed in the work presented hereThe identity of location and position is a fundamental problem of the motion controller system of mobile robot。In this paper，based On the research of two-wheel differential driving mobiles motive equation，a compact and practicably equation was inducedThis method Call be used in a high performance micro-controller to perform real-time calculation and win show its efficient advantageThe motion abillty of a wheeled mobile robot iS determined by its motion controllersystemBased on the utilization of a PC and a slaver microcomputer，a control system for a wheeled mobile robot with two stepping motors is designed and implementedThe control system is able to control the turning and speed of the two motors by interpolation techniqueThe source motion control program is written with these motion functions on PC and it is complied to object codeThe code is transmitted to RAM of microcontroller through serial port of PCThe microcontroller has two main functionsThe first iS receiving data or instructions from PCThe second is executing the instructionsThe stepmotor Can be controlled by STC89LE52 with its out put module，This kind of motion controller has the features of lower cost and powerful functionSo it has wide application prospect.Key words：motion, control course, calculation, nterpolating,stepping,motor, micro-controlle目录第一章 绪论11.1题目的来源及研究意义11.2移动机器人国内外的研究历史与现状2第二章 移动机器人系统概述52.1移动机器人控制系统结构52.2移动机器人传感器技术52.3移动机器人感知系统72.4移动机器人路径规划技术102.4.1移动机器人的全局路径规划112.4.2移动机器入的局部路径规划122.5移动机器人运动学模型132.6移动机器人航迹推算152.7本章小结16第三章 移动机器人系统设计183.1控制系统硬件结构183.2单片机的最小系统电路203.3步进电机驱动单元223.5本章小结28第四章 算法优化及实验294.1速度调节294.2平面运动速度304.3上下位机的数据传输实验314.4 机器人运动仿真324.4.1 MATLAB编程324.4.2运行结果334.5本章小结37第五章 结束语385.1总结38参考文献39致谢42 42第一章 绪论1.1题目的来源及研究意义移动机器人技术是机器人学中的一个重要分支，它的研究始于二十世纪六十年代，以斯坦福大学研制的自主移动式机器人SHAKEY为标志，其主要目标是研究在复杂环境下机器人系统的实时控制问题，涉及到任务规划、运动规划与导航、目标识别与定位、机器视觉、多传感器信息处理与融合以及系统集成等多项关键技术。移动机器人可以作为研究其它领域如人工智能等的平台，同时移动机器人的研究也提出了许多新的、挑战性的理论与工程技术课题，引起了越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。与任何一门现代技术分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领域交叉互相促进发展的结果。信息技术、人工智能技术、计算机以及机械电子技术的发展大大推动了在移动机器人研究领域向纵深方向延伸。其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机运算速度和存储能力的大幅度提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件；另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分支学科，这些学科为移动机器人在未知或动态环境下的实时导航开辟道路。移动机器人技术己经成为众多高新技术的产物，同时也为其它技术的发展提供了广阔的应用场所。随着机器人技术的不断发展，移动机器人的应用范围不断拓展，功能不断提高，不仅在工业、国防、服务等行业中得到广泛的应用，而且在野外作业以及在有害、危险环境作业中的应用也得到世界各国的高度重视。目前，由于移动机器人具有更大的使用灵活性已使其成为机器人技术研究的一个热点。机器人是一个集环境感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业，农业，国防，医疗，服务等行业中得到广泛的应用1-2，而且在排雷，搜捕，救援，辐射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，机器人技术的研究和发展受到了越来越多的重视。移动机器人是一个对外界环境高度开放的智能系统，能够在执行预先给定的任务指令的同时，根据行进中不断感知到的周围局部环境信息，自主地做出各种决策，自动避开障碍物，引导自身安全地行使到指定的目标位置。这对解决工业中危险地区的标本采集和故障处理等问题有着实际的指导意义。移动机器人控制技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了各方面的关注。社会经济的飞速发展和各个行业对自动化程度要求的提高，都极大地推动了机器入技术的发展。机器人的关键技术是机器人的控制。1.2移动机器人国内外的研究历史与现状自从五十年代世界上第一台机械手在美国诞生以来，经过近半个世纪的努力，机器人技术取得了巨大的进步，机器人的使用改变了许多行业的面貌。与此同时，机器人学也发展成为一门独立的科学，取得了许多耀眼的成果。近年来，新的形势为机器人学提出了新的课题。经济领域内的某些概念如计算机集成制造系统(CIMs)和敏捷制造等都要求系统具有一定的柔性，对于其中使用的机器人则要求与传统的具有固定机座的机械手不同，要具有一定的移动能力。另一方面，未来战争中战场要素的变化也为移动机器人提供了广阔的舞台，由于这些原因，移动机器人成为机器人学中一个非常活跃的领域。 国外PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于PID控制器具有简单而固定的形式，算法简单、可靠性高，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性2，能给设计人员提供一种简单而直接的调节方式，故在工业控制过程中，PID控制器是应用最多的一种控制方式。自1965年美国加利福尼亚大学控制论专家zadeh首次提出了用“隶属函数”概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论以来，其理论和方法日臻完善zadeh把模糊控制应用于自动控制领域，开辟了模糊控制理论及其工程应用的新时代。国内在机器人运动控制器中，处理器件接受高层控制级的指令，计算和输出多路控制信号，协调各驱动轮，并对系统状态进行监控。目前，许多机器人的运动控制系统均采用专用的微处理器，如以DSP为核心的微处理器制作专用的主板，采用专用的编程语言，并将控制算法固化在EPROM中。运动控制算法是移动机器人运动控制的关键，由于PID控制器结构简单、参数易于调整，因此在移动机器人运动控制中得到了广泛的应用，但是移动机器人运动控制系统的模型在实际系统中存在控制参数难以调整、控制系统存在噪声影响等问题，即用传统的比例控制器己不能达到较好的控制效果。模糊逻辑法模拟驾驶员的驾驶思想，将模糊控制3本身所具有的鲁棒性与基于生理学上的“感知一动作”行为结合起来，为移动机器人在未知环境中运动提出了一种新思路，模糊控制不需要建立数学模型，可以利用语言描述复杂的非线性系统，是一种基于非数学模型的控制方法，但是难以建立完善的推理规则。在我国，移动机器人已在水下探险、自动搬运等方面有了初步的应用，有些方面已经达到或接近于美日欧发达国家水平，但由于我们起步晚，总体水平还比较落后。因此，开展分工合作，各单位选择适合自己的研究方向，跟踪国外学科发展前沿，对提高我国自动化水平、推广移动机器人的应用，进而创造更多经济效益都是很重要的。敏捷制造、柔性加工系统、计算机集成制造系统的开发和推广、应用在我国势在必行，而在柔性加工单元中，用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能实时避开途中的障碍物。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的智能导航问题是最基本也是最重要的一个。我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，己在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技术(包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造应用和小批量生产的工艺技术等)。为跟踪国外高技术，80年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。目前，国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴AsR机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的CASIA1自主移动机器人的中科院自动化所4；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构、导航和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人传感器技术等研究。第二章 移动机器人系统概述一般来说，轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、驱动系统、传感器信息采集系统、控制系统、移动机器人运动学模型和路径跟踪等，以下分别作些简要介绍，各部分具体将在后续章节详细介绍。2.1移动机器人控制系统结构移动机器人控制系统是整个机器人的核心，他决定了控制系统的性能劣。目前，移动机器人控制系统主要有三种结构方式：集中式控制，主从式控制5和分布式控制。集中式控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多地采用这种方式。随着计算机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从式控制和分布式控制。在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的资源来完成复杂数据的处理，并把数据传递给下位机，下位机完成控制对象的位置控制，并把相关的数据传递给上位机。当前投入使用的移动机器人控制系统大多采用主从式控制，也采用上下二级的分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运轮式移动机器人运动控制系统研究与设计动学计算，路径规划等，下位机可由一个或多个CPU组成，这些CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合，处理器承担固定的任务，这种结构的控制器对工作速度和控制性能要求较高。2.2移动机器人传感器技术移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向等信息以及外部环境信息的检测和处理。一般来说，移动机器人的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、GPS、磁罗盘、角速度传感器等。外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。如何提高移动机器人传感器的可靠性和精度也是移动机器人的研究热点。移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是移动机器人感知、决策和动作三大要素之一。传感系统的硬件组成单元是传感器，其功能是为机器人提供诸如视觉、力觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态和位置。移动机器人其行驶机构的形式层出不穷，美国、俄罗斯、法国和日本等西方发达国家己经研制出了多种复杂奇特的三维行驶机构6，有的己经进入了实用化和商业化阶段。由于我国的市场要求较小，所以现在只有一些零星的研究工作。面对21世纪深空探测的挑战，对各种自主系统的研制是急需的，也是必要的，而行驶机构又是自主移动机器人系统最基本与最关键的环节。己经出现的行驶机构主要有履带式、腿式和轮式。轮式机器人具有运动速度快的优点，只是越野性能不太强。但随着各种各样轮子底盘的出现，并可以和腿式机器人相媲美，于是人们对移动机器人行驶机构研究的重心转移到轮式机构上来。在移动机器人行驶机构的研究方面，很难再找到开发腿式结构的了，几乎都在进行轮式结构的研究。轮式机器人适合于条件较好的路面。轮式移动机构运动平稳，自动操纵简单，最适合平地行走，在无人工厂中，常用来搬运零部件或做其他工作，应用最广泛。所以本课题采用轮式。三轮移动机构结构最简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的，采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。前轮为万向轮，只起支撑作用，后两轮为驱动轮，固定不可转向，且相互独立。后两轮差动驱动的移动机器人结构如图22所示。2.3移动机器人感知系统对移动机器人而言，机器入视觉系统正如入的眼睛一样，是机器入感知局部环境的重要“感官。能否正确、实时地处理视觉信息直接关系到机器人行驶速度、跟踪效果以及对障碍物的避碰，对系统的实时性和鲁棒性具有决定性作用，pxxyy图2.2轮式移动机器人结构其处理技术是移动机器人研究中最关键的技术之一。视觉传感器方式具有信息量大、信息完整等优点，使得通过视觉传感器准确获取信息成为轮式移动机器人的主要发展方向之一。视觉导航7主要完成障碍物和陆标的探测及识别，这种能力将不仅使机器人能感知二维环境中物体的几何信息，如形状、位置、姿态等信息，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。过去，由于图像采集及处理的硬件设备运行速度低，利用视觉系统感知环境导引机器人进行跟踪受到了很大限制。近年来，随着科学技术的迅速发展，视频设备及计算机硬件运行速度得到了很大提高，越来越多的研究者投入到视觉导航领域中。因此，研究视觉导航技术已成为移动机器人导航研究的趋势。但是，如何让机器人具有类似于人类的自主视觉能力，如何提高机器人运动中的控制精度，仍然是需要长期解决的问题。视觉系统是移动机器人视觉导航进行路径跟踪的一个重要组成部分。本文所研究的轮式移动机器人的视觉系统主要由图像采集、图像处理、图像辨识三个模块构成。其中图像采集模块用来获取数字图像；图像处理模块是对提取到的外界路面信息进行处理，得到需要的特征信息；图像辨识模块是在具有特征信息的图像中辨识出期望跟踪路径的直线斜率、曲线曲率等一些信息用于对机器人的反馈控制。立体视觉是仿照人类利用双目视觉线感知距离的方法，实现对三维信息的感知，在实现上采用基于三角测量的方法，利用两个或多个摄像机对同一景物从不同位置成像，从而从视差中恢复距离信息。一个完整的机器人立体视觉系统包括：图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维信息恢复及后处理5个部分。（1）图像获取获取数字图像是进行图像处理和实现计算机视觉的前提条件。立体图像获取方式很多，主要取决于应用的场合和目的。在机器人视觉系统中，数字图像获取常用的设备一般是CCD摄像头和视频采集卡。图像采集不但要满足系统的应用要求，而且要考虑视点差异、光照条件、摄像机性能以及景物特点等因素的影响，以利于立体视觉计算8。（2）摄像机标定要从图像中恢复出物体的三维信息，必须已知空间坐标系中的物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系，而这个对应关系是由摄像机的位置、属性参数和成像模型所决定的。确定这些摄像机参数的过程就称为摄像机标定，摄像机标定实质上就是确定出由空间坐标系到图像坐标系的变换矩阵。（3）图像预处理与特征提取由光学成像系统生成的二维图像，包含了各种各样的随机噪声和畸变，因此需要对原始图像进行预处理，突出有用信息、抑制无用信息，从而改善图像质量。图像预处理的目的主要有两个：一是改善图像的视觉效果，提高图像质量的清晰度；二是使图像变的更有利于计算机的处理，便于各种特征分析。图像预处理技术，包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、边缘特征的加强等。特征提取是为了得到匹配赖以进行的图像特征，由于目前尚没有一种普遍适用的理论可用于图像特征的提取，从而导致了立体视觉研究中匹配特征的多样性。目前，常用的匹配特征主要有点特征、线特征和区域特征等。一般来讲，大尺度特征含有丰富的图像信息，在图像中的数目较少，易于得到快速匹配，但他们的定位精度差，特征提取与描述困难，而小尺度特征数目较多，其所含有信息较少，因而在匹配时需要较强的约束准则和匹配策略，以克服歧义匹配和提高运算效率，良好的匹配特征应具有可区分性、不变性、稳定性、唯一性以及有效解决歧义匹配的能力。(4)立体匹配立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。它要解决同一空间点在不同图像中像点的对应关系。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大的不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件、景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的。对于任何一种立体匹配方法，其有效性有赖于3个问题的解决，即选择正确的匹配特征，寻找特征之间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。立体匹配的研究都围绕这三方面展开，并已提出了大量各具特色的匹配方法。但是由于立体匹配涉及的问题太多，至今仍未得到很好的解决，特别是在复杂场景中，如何提高算法的去歧义匹配和抗干扰能力，降低实现的复杂读和计算量，都需要更深入的研究。(5)三维重建立体视觉的任务就是得出感兴趣场景的三维信息，对于不同的应用可以有不同的要求，但最基本的就是要计算目标的深度信息，得到三维坐标。若系统需要结果的可视化，则可对场景进行重建。已知立体成像模型和完成立体匹配后，三维信息的恢复是比较容易的。重要的是如何提高计算的精确度，其影响因素是多方面的，如摄像机参数标定，图像特征定位的精度和立体匹配的准确性等，因此要提高三维重建的精度还需要更深入的研究。2.4移动机器人路径规划技术路径规划是指移动机器入在障碍物环境中，如何寻找出一条从起始点到目的地的合适路径，并要求该路径能保证在运行过程中能安全地避开障碍物。轮式移动机器人的主要工作环境在地面，在室外环境中容易受到地面建筑物、街道和行人的影响，在室内环境中容易受到灯光、墙壁、门、走廊还有安装在地面的设备和工作人员行走的影响，需要进行路径规划，因此研究人员进行大量深入的研究。近年来，机器人路径规划的方法主要有可以分为两大类：传统路径规划方法和智能路径规划方法。传统路径规划方法主要包括：自由空间法，图搜索法，栅格解耦法和人工势场法。大部分机器人路径规划中的全局规划都是基于上述几种方法进行的，但是以上这些传统方法在路径搜索效率及路径优化方面尚有待于迸一步改善。而现在通常使用的搜索技术包括：梯度法，A等图搜索方法，枚举法，随机搜索法等。这些方法中，梯度法易陷入局部最小点，图搜索方法、枚举法不能用于高维的优化问题，而随机搜索法则计算效率太低。近年来，随着遗传算法等智能方法的广泛应用，机器人路径规划方法也有了长足的发展，许多研究者把目光放在了基于智能方法的路径规划研究上。其中，应用较多的算法主要有模糊方法，神经网络算法和遗传算法。机器人规划问题是指综合机器人的动作序列并执行的问题，从给定的状态出发，这个序列能够使机器人达到预期的工作目标，完成规定动作的工作任务。机器人规划问题通常分为两级不同规划问题：任务规划和路径规划9。路径规划是根据环境信息，将任务规划的结果变成一条由起点到终点的无碰撞优化路径。对于自主式移动机器人，路径规划也称为行动规划或运动规划。路径规划本身又可分为全局规划和局部规划。全局规划是基于环境模型，在有限条件下对任意指定的起点和终点产生一条优化路径，即给出实际路径上的一系列关键点。其主要方法有：可视图法、广义锥法、位置空间法、顶点法、势场法、栅格法等。局部规划是处于规划的底层，它通过各种传感器、处理器同环境交互信息，把全局规划得到的一系列路径关键点作为系统的子目标序列，规划一条实际的路径。移动机器人局部规划的主要任务实避碰，即实时地躲避各种突发障碍物。2.4.1移动机器人的全局路径规划移动机器人的全局路径规划方法主要有：可视图法、拓扑法、栅格法、自由空间法、最优控制法和神经网络法等10。可视图法将移动机器人视为一点，把机器人、目标点和多边形障碍物的各个顶点进行组合连接，并保证这些直线均不与障碍物相交，这就形成了一张图，称为可视图。由于任意两个顶点都是可见的，从起点沿着这些直线到达目标点所有路径都是可见的，从起点沿着这些直线到达目标点的所有路径均是运动体的无碰路径。搜索最优路径的问题就转换为从起点到目标点经过这些可视线段的最短距离问题。运用优化算法，可删除一些不必要的连线以简化可视图，缩小搜索时间。该算法能够找到最短路径。但是该方法缺陷在于忽略了移动机器人的尺寸大小，使得机器人通过障碍物顶点时离障碍物太近甚至接触，并且搜索时间比较长。切线图法和vornoi图法都是对可视图法进行的改进。切线图用障碍物的切线表示弧，因此是从起始点到目标点的最短路径的图，即移动机器人几乎接近障碍物行走。其缺点是如果控制过程中产生位置误差，移动机器人就容易碰到障碍物。vomoi图法用尽可能远离障碍物11和墙壁的路径表示弧。因此，从起始点到目标点的路径将会增长，但采用该方法既使产生位置误差，移动机器人也不会碰到障碍物。拓扑法将规划空间分割成具有拓扑特征子空间，根据彼此连通性建立拓扑网络，在网络上寻找从起始点到目标点的拓扑路径，最终由拓扑路径求出几何路径拓扑法基本思想是降维法，即将在高维几何空间中寻求路径的问题转化为低维拓扑空间中判别连通性的问题。优点在于利用拓扑特征大大缩小了搜索空间，并且该算法复杂性仅依赖于障碍物数目且在理论上是完备的。而且拓扑法通常不需要机器人的准确位置，对于位置误差也就有了更好的鲁棒性。缺点是建立拓扑网络的过程相当复杂，特别在增加障碍物时如何有效地修正己经存在的拓扑网是有待解决的问题。栅格法将移动机器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元，多采用四叉树或八叉树表示，并通过优化算法完成路径搜索。该方法以栅格为单位记录环境信息，有障碍物的地方累积值比较高，移动机器人就会采用优化算法避开。环境被量化成具有一定分辨率的栅格，栅格大小直接影响环境信息存储量大小和规划时间长短，栅格划分大了，环境信息存储量小，规划时间短，但分辨率下降，在密集环境下发现路径的能力减弱，栅格划分小了，环境分辨率高，在密集环境下发现路径的能力强，但环境信息存储量大，规划时间长。栅格法经改进也广泛应用于局部路径规划。自由空间法应用于移动机器人路径规划，采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本形状构造自由空间，并将自由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行路径规划。自由空间的构造方法是：从障碍物的一个顶点开始，依次作其它顶点的链接线，删除不必要的链接线，使得链接线与障碍物边界所围成的每一个自由空间都是面积最大的凸多边形；连接各链接线的中点形成的网络图即为机器可自由运动的路线。其优点是比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，缺点是复杂程度与障碍物的多少成正比，且有时无法获得最短路径。栅格法建模存在空间分辨率和内存容量的矛盾。而自由空间法建模，解决了这一矛盾。但自由空间法的分割需构造想象边界，想象边界本身具有任意性，于是导致路径的不确定性。可视图法缺乏灵活性，且不适用于圆形障碍物的路径规划问题。神经网络法用于全局路径规划可以解决以上问题。引入网络结构和模拟退火方法，计算简单，且能避免局部极值情况。根据路径点位于障碍物内外的不同位置，选取不同运动方程，并针对障碍物形状设定各条边的模拟退火初始温度，该方法计算简单，收敛速度快，能避免局部极值，使规划的无碰路径达到最短。2.4.2移动机器入的局部路径规划局部路径规划包括人工势场法、模糊逻辑算法、神经网络算法和遗传算法等12人工势场法是由心Khatib提出的一种虚拟力法，其基本思想是将移动机器人在环境中的运动视为一种虚拟入工受力场中的运动。障碍物对移动机器入产生斥力，目标点产生引力，引力和斥力周围由一定的算法产生相应的势，机器人在势场中受到抽象力作用，抽象力使得机器人绕过障碍物。该法结构简单，便于低层的实时控制，在实时避障和平滑的轨迹控制方面，得到了广泛应用，其不足在于存在局部最优解，容易产生死锁现象，因而可能使移动机器人在到达目标点之前就停留在局部最优点。为解决局部最优问题，已经研究出一些改进算法，如Sato提出的Laplace势场法。改进算法是通过数学上合理定义势场方程，来保证势场中不存在局部极值。模糊逻辑算法13是基于对驾驶员的工作过程观察研究得出的。驾驶员避碰动作并非对环境信息精确计算完成的，而是根据模糊的环境信息，通过查表得到规划出的信息，完成局部路径规划。优点是克服了势场法易产生的局部最优问题，对处理未知环境下的规划问题显示出很大优越性，对于解决用通常的定量方法来说是很复杂的问题或当外界只能提供定性近似的、不确定信息数据时非常有效，模糊逻辑算法有诸多优点，但也存在固有缺陷：人的经验不一定完备，输入量增多时，推理规则或模糊表会急剧膨胀。2.5移动机器人运动学模型在过去几十年里，机器人学已经发展成很成熟的一门学科，移动机器人运动学模型分为位移运动学模型，速度运动学模型加速速度运动学模型14-17三种，在这里对移动机器人的速度运动学模型进行分析。图23所示两后轮驱动的模型，用(x，y)和小车纵轴与X轴之间的央角来描述机器人小车的位姿P。vlwXYvr图 2.3移动机器人位姿分析机器人的位姿可以表示为：P=X，Y，T 式(21)其中(x，y)为机器人的坐标，0为机器人的姿态角，即机器人前进方向相对于X轴的方位角。vl和vr分别为机器人本体左右车轮的线速度，y是移动机器人本体的前进速度，w是移动机器人本体自身的角速度。机器人的运动学方程进行了详细的推导，可以得到机器人车体的运动方程为： xy=cos0sin001 vw 式（22)这样就可以通过V和w来控制机器人的位姿。对机器人而言，能够直接进行控制的是两个独立驱动电机，因此采用U=VL，VRT 形式的输入控制量，来分别控制两个驱动轮。所以这就需要将机器人的前进速度v和w转动速度转化为两个轮子的线速度 。如图24所示： VVVMN 图 2.4 控制量转化示意图轮式机器人的加速度w由两轮的线速度决定，机器人的线速度为V，左右轮的距离为2L，N是移动机器人的质心，M是移动机器人的速度瞬心，N M之间的距离即为机器人的转动半径，设为r。则机器人的前进速度可以表示为： V= VL+VR2 式（23)移动机器人的左右轮具有相同的角速度： =w=Vr =VLr-L=VRr+L 式（24)由以上的推导可得移动机器人左右两轮的线速度与机器人的角速度之间的关系如下：VL=V-wLVR=V+wL 式(25) 可见，只要分别控制两个车轮的转速，就能达到控制机器人位姿的目的。2.6移动机器人航迹推算移动机器人的位置和姿态识别18-20是移动机器人导航控制中的一个最基本的问题。航位推算方法是建立在所设计的两轮差速驱动机器入车体结构和各种传感器提供的信息的基础之上的。移动机器人一般每个采样周期需要推算一次自身位姿，因此航位推算方法在保证精确度的同时，要注意算法的实时性。移动机器人与臂式机械手不同，它对于环境来说没有一个固定点。机械手能够以固定点为基准点，利用编码器等检测器件很容易得到各关节和杠杆的位置和姿态，而移动机器人的位置和姿态识别却是移动机器人导航控制的一个最基本的问题。位姿识别大致可以分为两种：一种是利用检测运动状态的内传感器进行航位推算，另一种是利用外传感器收集环境信息进行位姿识别.为便于研究，分别建立WMR工作空间坐标系标XOY系和WMR坐标系XaOaYa WMR的运动轨迹用XOY中的方程f（X，Y,）=0,表示，位置（X，Y）为XaOaYa的原点Oa在XOY中的坐标，姿态为Xa轴与X轴的夹角，即其位姿为P=X，Y，T 。理想状态：车体工作地为平整水平面；运动过程中车轮与地面间无相对运动；车体的几何参数如轮径等保持不变。控制WMR以设定的速度沿轨迹f（X，Y, ）=0,运动时，控制左、右驱动轮的运动速度和即可。定义Uc=Vcl，VcrT。设在t（i）时刻已知WMR的Uc(i)=Vcl(i)，Vcr(i)T和P(i)=X(i),Y(i), (i) ，则在t(i+1)时刻WMR的p(i+1)可为：p(i+1)=p(i)+A（i）UC（i) 式(26)式中： A(i)=Tcos（i+2Tcos（i+2Tsin(i+2Tsin(i+2-TBTB 式（2.7）=T（Vcr(i)-Vcl(i)）/2B，T为控制周期，B为两驱动轮间距。同时，Uc(i)应满足Vc=(Vcri+Vcli) / 2。可见，若无外界干扰，欲控制WMR在t(i+1)到达目标位姿P=（i+1），根据WMR 在t（i）时刻的P（i）控制即可。控制Uc(i)可转化为控制在T内发给驱动电机的脉冲数ci=cli,criT，令K=*RNm*Rate 式（2.8) 式中：Nm和Rate分别为电机转一应发给电机的脉冲数和电机至驱动轮的降速比21；R为驱动轮半径。则有Uc(i)=2Kci/T，式(26)就转换为系统的控制模型，即：P（i+1）=P（i）+ A1i*ci 式(2.9)式中：c为系统的运动控制量， A1i=Kcos（Si+di)Kcos（Si+di)Ksin（Si+di)Ksin（Si+di)-2K/B2K/B 式(2.10) di=K（cri-cliB 式(2.11)2.7本章小结本章主要对移动机器人的总体结构、控制系统结构、感知系统、路径规划技术、移动机器人运动学模型及规划路径的离散化等作了详细介绍，是本课题具体实现的理论基础。首先，介绍了移动机器人的总体结构及其控制系统结构，移动行使机构。主要是为了后续章节的讨论奠定基础；其次，介绍了移动机器人感知系统，路径规划方面的基础知识，为本文后续章节提供理论基础：最后，概述了移动机器人运动学模型及规划路径的离散化处理，为后续章节控制算法的提出提供理论基础。第三章 移动机器人系统设计随着机器人技术的发展，移动机器人应用领域的不断扩大，对移动机器人的硬件性能提出了更高的要求。本章主要论述移动机器人的非完整约束问题、控制系统硬件结构、以及各硬件及相关应用电路的应用。重点介绍硬件设计，包括光电编码盘抗干扰电路、电机驱动器设计、传感器信息采集系统、电源系统设计及硬件的可靠性设计等。3.1控制系统硬件结构控制系统在移动机器人系统中占有重要地位。控制系统硬件是机器人的基础，它决定了控制性能的优劣，也决定了机器人使用的方便程度。计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制22。本课题选用主从控制。采用主从式结构的控制系统，即由上位机完成复杂计算，将处理后的数据传递给下位机，由下位机完成对小车本体的控制；机器人小车采用三轮结构，前轮为万向轮，后两轮为驱动轮，机器人小车的驱动采用步进电机。因而，有效地降低了成本。该控制器器通过串口与上位机通信，这样，就简化了控制器与上位机的连接，但不妨碍充分利用上位机的有关软件资源。运动控制系统硬件结构如图31所示移动机器人运动控制系统的核心是微控制器，作为机器人控制器的核心高性能的CPU是必需的，选择一个什么样的微控制器对于机器人小车的性能、控制系统的设计方式有很大的影响，应具体分析控制系统的特征和要求进行微控制器的选择， 应以运算速度、功能、兼容性、整个移动机器人系统的结构、通信方式及通信速率、电机控制方式、ROM及RAM的大小为依据来选择合适的微控制器24。图 3.1控制器硬件结构框图目前微控制器主要有数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA和单片机等类型。DSP具有数据处理能力强、速度快等优点，且其体积较小，有利于电路板布局，但是DSP在中断处理、位处理或逻辑操作方面不如单片机，芯片价格尤其是浮点器件价格较贵，系统开发成本较高；FPGA是Filed Programmable GateArray的缩写，即现场可编程逻辑门阵列。FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用SRAM工艺25，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝(AntiFuse)212艺等。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域，但其系统开发成本较高。单片机虽然在运算任务的完成上不如DSP，但是其成本低、易于开发、相关资料较全，配合一定的外围芯片能够很好地完成本系统的控制任务，随着微电子工艺水平的提高，单片微型计算机技术有了飞跃的发展。单片机型号之多，已到了难以统计的地步。在MSC5l系列单片机内核805180C5l的基础上Intel，Philips，Siemens等大公司纷纷推出各种派生芯片。如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉、功能强大。但在一些复杂的系统中，就不得不考虑16位单片机。MCS96系列16位单片机广泛应用于伺服系统、变频调速等各类要求实时处理的控制系统。考虑到机器人尺寸的限制，功耗等因素选择一个功能齐全的单片机是比较合适的，定位合理的方案，可获得较高的性能价格比。综合比较之下，以单片机为核心确定整个控制系统的设计方案是比较合适的。本文中运动控制器采用一种CPU数字控制系统体系结构，CPU采用STC89LE52单片机。STC89C51RcRD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰高速低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期，6时钟机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。3.2单片机的最小系统电路单片机可以工作的最小系统一般由电源、复位电路、系统时钟等构成。(1)复位电路关于复位电路，当晶振在20MHz以下时，电容可以不用，电阻为1K。复位电路如图43所示。图 3.3 复位电路图采用外部时钟源，时钟频率为0-40MHz，CPu最大操作时钟频率可达48MHz，振荡器输出频率称为系统时钟电路。图 3.4 时钟电路(3)串口电路上位机利用MSComm控件将编码数据从串12发送至下位机，由于本系统使用了串13，串1：3使用Maxim公司的MAX232芯片，只需4个小容量电容，接口使用DB9母头，方便与串口延长线连接。使用MAX3232进行RS232电平转换，MAX3232是3VI作电源的RS232转换芯片。采用串12和上位机通讯一个目的是进行ISP功能烧写芯片，另一个是为调试系统的串口通讯。电路如图3 5所示。图 3.5串口电路(4)电源单元安全可靠的电源系统是控制系统能否正常工作的先决条件，因此，机器人电源系统必须进行合理设计。从上述的各个单元分析可以总结出，为了各集成电路模块正常工作，电路需要提供的电压基准有33v供电，5v供电。由于系统对电源的稳定性要求很高，所以要采取稳压芯片。3.3步进电机驱动单元步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB)26-27。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰：混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为18度而五相步进角一般为072度，这种步进电机的应用最为广泛。步进电机具有如下特点：1、一般步进电机的精度为步进角的3-5，步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。2、位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的丌环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。3、步进电机外表允许的最高温度取决于不同的磁性材料。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点，一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上。所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。4、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。5、步进电机有启动频率要求和加速过程。虽然步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数为“空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。6、无刷，电动机本体部件少，可靠性高；控制性能好，起动、停车、反转及其它运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步；停止时有自锁能力。因此本系统采用57BYGH311-01两相步进电机作为驱动单元，由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备一步进电机控制驱动器。典型步进电机控制系统如图37所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几万赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器：另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机目的。图 3.7步进电机控制图文中所控制的步进电机是两相步进电动机。步进电机控制驱动器的电路如图3.8所示。它由STC89LE52RC单片机、光电耦合器、集成芯片L297和L298组成。高性能低电压8位单片机是STC89LE52RC芯片。内置8K字节可重复擦写的Flash闪速存储器，256字节RAM，3个16位定时器，对完成步进电机简单控制已足以胜任。图38步进电机控制驱动器部分原理图L297芯片是一种硬件环分集成芯片，它可产生四相驱动信号，用于计算机控制的两相双极或四相单极步进电机。它的心脏部分是一组译码器它能产生各种所需的相序，这一部分是由两种输人模式控制，方向控制(CW/CCW)和HALF/FULL以及步进式时钟CLOCK，它将译码器从一阶梯推进至另一阶梯。译码器有四个输出点连接到输出逻辑部分，提供抑制和斩波功能所需的相序。因此L297能产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步方式(HALFS TEP)基本步距(FULL STEP，整步)一相激励方式；基本步距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3bit可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号。此时HALF/FUL